DE102006037668A1 - Communication system for use in e.g. in-vivo medical electronic device for human and animals has switch that operates communication mode and power conversion mode by selectively connecting inductive coil to receiver or power converter - Google Patents

Communication system for use in e.g. in-vivo medical electronic device for human and animals has switch that operates communication mode and power conversion mode by selectively connecting inductive coil to receiver or power converter Download PDF

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Abstract

An inductive coil (101) functions as an antenna during a communication mode, and as an inductive element for conditioning the power available from an internal power source in a power conversion mode. A power converter (104) transforms the energy extracted from the power source to a power to be supplied to the communication system. A controllable switch (102,103) changes the operating mode between the communication mode and the power conversion mode by selectively connecting the inductive coil to either a receiver (106) or power converter.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Vorrichtung, so wie eine miniaturisierte elektronische Vorrichtung. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung würde eine in vivo medizinische elektronische Vorrichtung sein, so wie ein Schrittmacher.The The present invention relates to an electronic device, like a miniaturized electronic device. An example such a device would an in vivo medical electronic device, such as a pacemaker.

Hintergrund der Erfindungbackground the invention

Bei einem miniaturisierten elektronischen Gerät, so wie einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung, ist Raum oftmals von höchstem Wert, und die Verwendung einer minimalen Anzahl von Komponenten ist wünschenswert. Eine weitere Anforderung; die bei solchen Vorrichtungen entsteht, ist der niedrige Energieverbrauch, so daß der Einsatz einer effizienten Energiemanagementtechnik erforderlich ist.at a miniaturized electronic device, such as an implantable one medical device, space is often of the highest value, and the use of a minimal number of components is desirable. Another requirement; which arises in such devices, is the low energy consumption, so the use of an efficient Energy management technology is required.

Die Kommunikation mit der in vivo-Vorrichtung kann durch eine Anzahl von Mitteln geschehen, so wie Funk, vom Typ her festgelegt durch den Medical Implant Communications Service, beschrieben in der ITU-R Empfehlung SA 1346, vom Typ her beschrieben durch Geräte, welche die Anforderungen des Standards EN301 839 erfüllen, oder durch Verfahren mit induktiver Schleife, vom Typ her beschrieben durch die Geräte, welche die Anforderungen der Standards EN300 330 und EN302 195 erfüllen wobei die Standards von dem European Telecommunications Standards Institute veröffentlicht sind.The Communication with the in vivo device may be by a number done by means such as radio, fixed by type the Medical Implant Communications Service, described in the ITU-R Recommendation SA 1346, of the type described by devices which meet the requirements of the EN301 839 standard, or by procedures with inductive loop, of the type described by the devices which meet the requirements of standards EN300 330 and EN302 195 where the Standards from the European Telecommunications Standards Institute released are.

Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention

Gemäß der Erfindung kann ein Induktor oder eine Aufnahmespule in der Energiemanagementschaltung einer elektronischen Vorrichtung auch benutzt werden, um ein vorherrschendes induktives Feld (so wie das, das in dem Standard EN300 330 definiert ist) zu empfangen, welches zum Zwecke der Kommunikation mit der Vorrichtung übertragen worden ist. Durch zweckmäßige Verwendung von Funkzugriffsprotokollen kombiniert mit Energiemanagementprotokollen kann der Energiewandler während Perioden des Kommunikationsempfangs abgeschaltet werden und umgekehrt. Auf diese Weise kann der Induktor zwischen einem Kommunikationsmodus und einem Energiewandelmodus geschaltet werden.According to the invention may be an inductor or a pickup coil in the power management circuit An electronic device can also be used to a prevalent inductive field (such as that defined in the EN300 330 standard is) to receive, which for the purpose of communication with the Transfer device has been. By appropriate use of radio access protocols combined with energy management protocols can the energy converter during periods the communication reception are turned off and vice versa. On this way, the inductor can switch between a communication mode and be switched to an energy change mode.

Frequenzen, die für diese Kommunikation verwendet werden, können zweckmäßigerweise diejenigen Frequenzen sein, die durch die International Telecommunications Union Radio Regulations als ISM (Industrielle, wissenschaftliche und medizinische – Industrial Scientific and Medical)-Frequenzen bezeichnet sind, sein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.frequencies the for These communications can be conveniently those frequencies be through the International Telecommunications Union Radio Regulations as ISM (Industrial, Scientific and Medical - Industrial Scientific and Medical) frequencies are, however, are not limited to this.

Bei einer Ausführungsform kann die Vorrichtung eine in vivo medizinische elektronische Vorrichtung in einem Tier oder einem Menschen sein.at an embodiment For example, the device may be an in vivo medical electronic device be in an animal or a human.

Somit, gemäß einem Aspekt, stellt die Erfindung eine elektronische Vorrichtung zur Verfügung, welche einen Schaltregulator-Energiewandler zum Umwandeln von Energie, die aus einer Energiequelle abgezogen wird, um die Vorrichtung mit Energie zu versorgen; ein induktives Element, das so gestaltet ist, daß es in einem Kommunikationsmodus als eine Antenne zum Aufnehmen von Kommunikationssignalen und in einem Energiewandelmodus als ein induktives Element der Schaltregulator-Energiewandelschaltung arbeitet; einen Empfänger zum Empfangen der Kommunikationssignale; und einen steuerbaren Schalter zum Schalten zwischen dem Kommunikationsmodus und dem Energiewandelmodus aufweist.Consequently, according to one Aspect, the invention provides an electronic device Available, which a switching regulator power converter for converting energy, which is withdrawn from a power source to the device with To provide energy; an inductive element that is designed that it in a communication mode as an antenna for recording Communication signals and in an energy change mode as an inductive one Element of the switching regulator power switching circuit operates; one receiver for receiving the communication signals; and a controllable switch for switching between the communication mode and the power conversion mode.

Die interne Energiequelle soll so verstanden werden, daß sie physikalisch innerhalb des Gerätegehäuses enthalten ist oder als Alternative physikalisch von dem Gerätegehäuse getrennt, jedoch physikalisch mit dem System mittels eines elektrischen oder anderen Kabels verbunden ist, zum Beispiel durch eine optische Faser, die entweder gelegentlich oder ausschließlich zum Zwecke des Transportieren von Energie zu dem System verwendet wird.The internal energy source should be understood to be physical contained within the device housing is physically separated from the device housing, or alternatively however, physically with the system by means of an electric or other cable, for example through an optical fiber, either occasionally or exclusively for the purpose of transporting Energy is used to the system.

Der steuerbare Schalter kann unipolare oder bipolare Transistorschalter oder mechanische Schalter oder Relais aufweisen.Of the controllable switch can be unipolar or bipolar transistor switch or mechanical switches or relays.

Die elektronische Vorrichtung kann auch weiterhin einen Kondensator aufweisen, der im Kommunikationsmodus parallel zu dem induktiven Element liegt. Der Induktor kann bei der Kommunikationsfrequenz resonant sein.The electronic device can also continue a capacitor in the communication mode parallel to the inductive Element lies. The inductor can be at the communication frequency be resonant.

Es gibt viele Vorteile, wenn man eine multiplexierte Schleifenantenne sowohl als die Antenne für Kommunikationszwecke als auch das induktive Element in einer kleinen Kommunikationsvorrichtung verwendet. Zunächst reduziert die zweifache Verwendung einer einzelnen Komponente die Gesamtanzahl von Komponenten, die in der Vorrichtung erforderlich sind, was somit den Raumbedarf innerhalb der Vorrichtung verbessert. Als zweites ist der Energieverbrauch der Vorrichtung effizienter und ausgeglichener.It There are many advantages to using a multiplexed loop antenna both as the antenna for communication purposes as well as the inductive element used in a small communication device. First Reduces the dual use of a single component Total number of components required in the device are, which thus improves the space requirements within the device. Second, the power consumption of the device is more efficient and more balanced.

Weitere Aspekte und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann bei einer Durchsicht der folgenden Beschreibung leicht deutlich.Further Aspects and Advantages of Embodiments The invention will be apparent to one of ordinary skill in the art upon review the following description easily.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenSummary the drawings

Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten beschrieben, lediglich beispielhaft, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei 1 ein Blockschaubild einer elektronischen Vorrichtung mit einem induktiven Aufnahmeelement ist.The invention will now be described in further detail, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which: 1 a block diagram of an electronic device with an inductive pickup element is.

Genaue Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenPrecise description of the preferred embodiments

Die elektronische Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist, kann zum Beispiel eine in vivo medizinische elektronische Vorrichtung sein, die sich in vivo in einem Tier oder einem Menschen befindet, wobei die Kommunikation mit der Vorrichtung zum Zwecke der Telemetrie oder für Fernbefehle erforderlich ist. Die Vorrichtung empfängt Kommunikationssignale von einer externen Quelle (nicht gezeigt) und zieht ihre Energie induktiv aus einer internen Energiequelle.The electronic device, as in 1 For example, an in vivo medical electronic device located in vivo in an animal or a human may be required, with communication with the device being required for the purpose of telemetry or remote commands. The device receives communication signals from an external source (not shown) and draws its power inductively from an internal power source.

Die elektronische Vorrichtung umfaßt einen zweifach verwendbaren Induktor 101, der als eine Antenne für Kommunikationszwecke in dem Kommunikationsmodus und als ein induktives Element zum Zwecke der Energiewandlung in dem Energiewandelmodus dient. In diesem Modus ist der Induktor 101 mit einer internen Energiequelle verbunden, so daß der Energiewandler 104 Energie von der internen Quelle umwandeln kann, um das Kommunikationssystem 100 mit Energie zu versorgen. Der Energiewandler kann ein Wandler vom „Buck"- oder „Boost"-Typ sein. „Buck"-Wandler werden zum Erniedrigen der Spannung eingesetzt, während „Boost"-Wandler zum Erhöhen von Spannungen eingesetzt werden. Diese Wandler verwenden einen Induktor als Energiespeichervorrichtung und sind den Fachleuten üblicherweise als Schaltregulatoren bekannt.The electronic device comprises a dual-use inductor 101 serving as an antenna for communication purposes in the communication mode and as an inductive element for the purpose of power conversion in the power conversion mode. In this mode is the inductor 101 connected to an internal power source so that the energy converter 104 Energy from the internal source can transform to the communication system 100 to provide energy. The energy converter may be a "buck" or "boost" type converter. "Buck" converters are used to lower the voltage, while "boost" converters are used to increase voltages. These converters use an inductor as an energy storage device and are commonly known to those skilled in the art as switching regulators.

Während des Empfangs von Kommunikationssignalen durch die Vorrichtung ist der Energiewandler 104 normalerweise abgeschaltet, und der Induktor 101, der auch als eine Energie speichervorrichtung dient, ist mit einem Empfänger 106 verbunden, um als eine Antenne für Kommunikationszwecke zu arbeiten.During reception of communication signals by the device, the energy converter is 104 normally shut off, and the inductor 101 Also serving as an energy storage device is with a receiver 106 connected to operate as an antenna for communication purposes.

Im Kommunikationsmodus nimmt der Induktor 101 elektromagnetische Energie aus der externen Quelle auf.In communication mode, the inductor decreases 101 electromagnetic energy from the external source.

Die Schalteinheit 106, die Schalter 102 und 103 aufweist, dient dazu, den Induktor 101 entweder mit dem Energiewandler 104 oder dem Empfänger 106 zu verbinden. Ein Mikrocontroller 105, welcher die Schalter 102 und 103 steuert, verbindet die Schalter entsprechend der Anforderungen erlaubter Latenz und der Länge der Nachrichten und den Gesamtenergieanforderungen der Schaltung, die von dem Energiewandler 104 gespeist wird. Die Schalter können auf einer Basis multiplexiert zu regelmäßigen Zeiten betätigt werden, oder unregelmäßig als ein Ergebnis empfangener Telebefehlssignale oder von einem anderen System instruiert, zum Beispiel einem Mikrocontroller.The switching unit 106 , the switches 102 and 103 has, serves to the inductor 101 either with the energy converter 104 or the recipient 106 connect to. A microcontroller 105 which the switches 102 and 103 controls, connects the switches according to the requirements of allowed latency and the length of the messages and the total energy requirements of the circuit that the energy converter 104 is fed. The switches may be actuated on a base multiplexed at regular times, or irregularly instructed as a result of received telecommand signals or from another system, for example a microcontroller.

Die Schalter 102 und 103 können unipolare oder bipolare Transistoren sein. Wünschenswerterweise zeigen sie einen sehr geringen Widerstand in dem EIN-Zustand und eine niedrige Kapazität in dem AUS-Zustand. Die Schalter 102 und 103 können auch mechanische Schalter oder Relais sein.The switches 102 and 103 can be unipolar or bipolar transistors. Desirably, they exhibit a very low resistance in the ON state and a low capacitance in the OFF state. The switches 102 and 103 may also be mechanical switches or relays.

Die Betriebsfrequenz des Energiewandlers 104 wird im Hinblick auf das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung des Wandlers, den gewünschten Wirkungsgrad, der Möglichkeit von Interferenzen mit weiteren Schaltungen in enger Nähe zu dem Wandler und den verfügbaren Werten der Induktanz in physikalischen Größen konsistent mit der Anwendung gewählt. Eine typische Frequenz sollte in dem Bereich von 1 bis 2 MHz liegen.The operating frequency of the energy converter 104 is chosen in terms of the ratio of input to output voltage of the converter, the desired efficiency, the possibility of interference with other circuits in close proximity to the converter, and the available values of the inductance in physical quantities consistent with the application. A typical frequency should be in the range of 1 to 2 MHz.

Die Betriebsfrequenz des Empfängers 106 wird im Hinblick auf den Wert des Induktors gewählt, der von dem Wandler 104 gefordert wird, dem erlaubten abgestrahlten Energiepegel (in dieser Hinsicht sollte angemerkt werden, daß die abgestrahlte Energie, die bei ISM-Frequenzen erlaubt ist, höher ist als bei anderen Frequenzen) und den verfügbaren Werten der Induktivität in physikalischen Größen, die konsistent mit der Anwendung sind. Typische Frequenzen für eine solche Verwendung sind 6.78, 13.56 und 27.12 MHz.The operating frequency of the receiver 106 is chosen with respect to the value of the inductor used by the converter 104 It should be noted that the allowed radiated energy level (in this regard, it should be noted that the radiated energy allowed at ISM frequencies is higher than other frequencies) and the available values of inductance in physical quantities consistent with the application are. Typical frequencies for such use are 6.78, 13.56 and 27.12 MHz.

Der Kondensator 105 muß nicht immer nötig sein, obwohl das empfangene Signal größer sein wird, wenn die Schaltung, die aus dem Induktor 101 und dem Kondensator 105 besteht, resonant ist. Jedoch ist solche Resonanz für das System, das durch die Erfindung in Betracht gezogen wird, nicht notwendig, um zu arbeiten.The capacitor 105 does not always need to be, although the received signal will be greater if the circuit coming out of the inductor 101 and the capacitor 105 exists, is resonant. However, such resonance is not necessary for the system considered by the invention to work.

In dem Fall, daß der Kondensator 105 verwendet wird, wird der Wert des Induktors 101 so gewählt, daß er sowohl den korrekten Induktivitätswert für die Anforderungen des Energiewandlers 104 liefert und mit dem Kondensator 105 an der Frequenz resoniert, an der es erforderlich ist, ein Signal zu empfangen. Die Empfindlichkeit des Empfangssystems ist proportional zu der physikalischen Größe des Induktors, jedoch kann die Abstrahlung von dem Induktor, wenn er bei der Energiewandelschaltung verwendet wird, auch erhöht werden, obwohl in diesem Fall Schwierigkeiten beim Erfüllen von Anforderungen bei Emissionen, die von den Anforderungen der EMC (Elektromagnetische Kompatibilität – Electromagnetic Compatibility) abgedeckt werden, erfahren werden können.In the case that the capacitor 105 is used, the value of the inductor 101 chosen so that it both the correct inductance value for the requirements of the energy converter 104 supplies and with the capacitor 105 resonates at the frequency at which it is required to receive a signal. The sensitivity of the receiving system is proportional to the physical size of the inductor, however, the emission from the inductor, when used in the energy change circuit, can also be increased, although in this case, difficulty in meeting emissions requirements, which is dependent on the requirements EMC (Electromagnetic Compatibility).

Zahlreiche Modifikationen können vorgenommen werden, ohne daß man sich vom Umfang der Erfindung entfernt, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.numerous Modifications can be made without you removed from the scope of the invention as defined in the appended claims is.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The in the above description, in the drawing and in the claims disclosed features of the invention can both individually and also in any combination for the realization of the invention be essential.

Claims (8)

Elektronische Vorrichtung, die aufweist: einen Schaltregulator-Energiewandler (104) zum Umwandeln von Energie, die aus einer Energiequelle herausgezogen wird, um die Vorrichtung mit Energie zu versorgen; ein induktives Element (101), das so ausgestaltet ist, daß es in einem Kommunikationsmodus als eine Antenne zum Aufnehmen von Kommunikationssignalen und in einem Energiewandelmodus als ein induktives Element der Schaltregulator-Energiewandelschaltung arbeitet; eine Empfänger (106) zum Empfangen der Kommunikationssignale; und einen steuerbaren Schalter (102, 103; 106) zum Schalten zwischen dem Kommunikationsmodus und dem Energiewandelmodus.An electronic device comprising: a switching regulator power converter ( 104 ) for converting energy extracted from an energy source to power the device; an inductive element ( 101 ) configured to operate in a communication mode as an antenna for receiving communication signals and in an energy change mode as an inductive element of the switching regulator power switching circuit; a receiver ( 106 ) for receiving the communication signals; and a controllable switch ( 102 . 103 ; 106 ) for switching between the communication mode and the power conversion mode. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der steuerbare Schalter (102, 103; 106) das induktive Element (101) entweder mit dem Empfänger (106) oder mit dem Energiewandler (104) verbindet.Electronic device according to Claim 1, in which the controllable switch ( 102 . 103 ; 106 ) the inductive element ( 101 ) either with the receiver ( 106 ) or with the energy converter ( 104 ) connects. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung eine in vivo medizinische Vorrichtung ist.An electronic device according to claim 1, wherein the device is an in vivo medical device. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der steuerbare Schalter (102, 103; 106) unipolare oder bipolare Transistorschalter oder mechanische Schalter oder Relais aufweist.Electronic device according to Claim 1, in which the controllable switch ( 102 . 103 ; 106 ) has unipolar or bipolar transistor switches or mechanical switches or relays. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das induktive Element (101) an der Kommunikationsfrequenz resonant ist.Electronic device according to Claim 1, in which the inductive element ( 101 ) is resonant at the communication frequency. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das induktive Element (101) an der Kommunikationsfrequenz nicht resonant ist.Electronic device according to Claim 1, in which the inductive element ( 101 ) is not resonant at the communication frequency. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter mit einem Kondensator (105), der in dem Kommunikationsmodus parallel zu dem induktiven Element (101) liegt.Electronic device according to claim 1, further comprising a capacitor ( 105 ) in the communication mode parallel to the inductive element ( 101 ) lies. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter mit einem Kondensator (105), der in dem Kommunikationsmodus in Reihe mit dem induktiven Element (101) liegt.Electronic device according to claim 1, further comprising a capacitor ( 105 ) in communication mode in series with the inductive element ( 101 ) lies.
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